一種增加圖像傳感器動態(tài)范圍的信號接收裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種增加圖像傳感器動態(tài)范圍的信號接收裝置，包括分束單元、傳輸單元和由面陣探測器構成的圖像傳感器；所述的分束單元將入射光信號分成主路和支路，所述主路的信號強度大于支路的信號；所述的傳輸單元將主路和支路的信號傳輸至圖像傳感器的入口，并耦合至圖像傳感器面元的不同位置處，分別獲得主圖像和支圖像；所述主路和支路在分束器至圖像傳感器之間的光程相等。本發(fā)明通過在圖像傳感器的外部增加分束單元和傳輸單元實現(xiàn)的增加圖像傳感器動態(tài)范圍的提高，簡單可靠，技術成本低，并可實現(xiàn)圖像傳感器動態(tài)范圍的調整。
【專利說明】一種增加圖像傳感器動態(tài)范圍的信號接收裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及圖像傳感器信號采集領域，特別是一種增加圖像傳感器動態(tài)范圍的信號接收裝置。
【背景技術】
[0002]隨著CCD相機等圖像傳感器制造技術及相關控制軟件的發(fā)展，圖像傳感器的探測靈敏度極大提高，在越來越廣泛的領域發(fā)揮著重要的作用。探測靈敏度的提高對圖像傳感器飽和閾值參數(shù)提出了較高要求，圖像傳感器動態(tài)范圍成為綜合評價圖像傳感器性能的重要參數(shù)之一。
[0003]按照動態(tài)范圍定義:系統(tǒng)不產生虛假響應時能正確檢測到的最大信號強度與系統(tǒng)進行正確檢測分析最小信號的強度之比。按照圖像傳感器動態(tài)范圍計算所涉及參數(shù)，擴大圖像傳感器動態(tài)范圍的方法主要有提高探測靈敏度及提高飽和閾值，此兩者可通過硬件升級實現(xiàn)，在一定程度擴大圖像傳感器動態(tài)范圍，但是卻技術難度大，增加系統(tǒng)的硬件成本的不足，并且動態(tài)范圍不可調整。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明目的在于提供一種增加圖像傳感器動態(tài)范圍的信號接收裝置，具有實現(xiàn)成本低、簡單可靠等特點，且相機的動態(tài)范圍可調整。
[0005]本發(fā)明的技術方案如下:
[0006]一種增加圖像傳感器動態(tài)范圍的信號接收裝置，包括分束單元、傳輸單元和由面陣探測器構成的圖像傳感器；分束單元將入射光信號分成主路和支路，所述主路的信號強度大于支路的信號；傳輸單元將主路和支路的信號傳輸至圖像傳感器的入口，并耦合至圖像傳感器面元的不同位置處，分別獲得主圖像和支圖像；所述主路和支路在分束器至圖像傳感器之間的光程相等。
[0007]上述增加圖像傳感器動態(tài)范圍的信號接收裝置中，傳輸單元包括主路反射鏡、支路反射鏡和直角反射鏡，所述的直角反射鏡的直角端正對圖像傳感器的入口，所述的主路光信號和支路光信號經過主路反射鏡和支路反射鏡反射后，分別入射至直角反射鏡的兩個直角反射面，并耦合進圖像傳感器面元的不同位置處。
[0008]上述增加圖像傳感器動態(tài)范圍的信號接收裝置中，圖像傳感器為前端設置有狹縫的光譜儀，所述的傳輸單元包括耦合透鏡和傳輸光纖，所述的主路光信號和支路光信號經過耦合透鏡和傳輸光纖后，分別入射至光譜儀狹縫的不同位置，并耦合進圖像傳感器面元的不同位置處。
[0009]上述增加圖像傳感器動態(tài)范圍的信號接收裝置中，分束單元為分束鏡。
[0010]上述增加圖像傳感器動態(tài)范圍的信號接收裝置中，分束單元的分束比為1:5至1:20。
[0011]上述增加圖像傳感器動態(tài)范圍的信號接收裝置中，分束單元的分束比為1:10。[0012]上述增加圖像傳感器動態(tài)范圍的信號接收裝置中，圖像傳感器為CXD或ICXD。
[0013]本發(fā)明的有益技術效果是:
[0014]1、本發(fā)明通過在圖像傳感器的外部增加分束單元和傳輸單元實現(xiàn)的增加圖像傳感器動態(tài)范圍的提高，簡單可靠，技術成本低。
[0015]2、通過對分束單元分束比的調整，可實現(xiàn)圖像傳感器動態(tài)范圍的調整。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明基于直角反射鏡傳輸?shù)男盘柦邮昭b置示意圖；
[0017]圖2為本發(fā)明基于光纖傳輸?shù)男盘柦邮昭b置示意圖；
[0018]圖3為本發(fā)明在CARS測量系統(tǒng)的應用示意圖；
[0019]圖4為本發(fā)明在CARS系統(tǒng)中應用的結果(低溫環(huán)境下);
[0020]圖5為本發(fā)明在CARS系統(tǒng)中應用的結果(高溫環(huán)境下)。
[0021]附圖標記如下:1一成像物體；2—成像透鏡；3—分束單兀；4一主路反射鏡；5—支路反射鏡；6—直角反射鏡；7 —圖像傳感器；8—稱合透鏡；9一光纖；10—狹縫；11 一傳輸單元；12 — CARS測量系統(tǒng)。
【具體實施方式】
[0022]本發(fā)明的思路是基于傳統(tǒng)圖像傳感器信號采集方式，在圖像傳感器12前增加一分束單元3，信號被分束后，強度較大一路作為主路，由耦合透鏡8直接耦合進入接收光纖9，信號較弱一路作為支路，經過反射鏡5調整后由透鏡8耦合入接收光纖。隨后主路信號與支路信號共同進入具備多通道光譜分析能力的圖像傳感器12，不同通道信號由傳感器不同探測區(qū)域響應，則在單次測量中可以獲取兩組不同強度信號，信號強度比由分束鏡分束比直接決定。
[0023]不失一般性，設置分束比為η:1，則圖像傳感器將同時接收到強度比為η:1的兩組信號(η>1)。如果圖像傳感器自身動態(tài)范圍為D，則加裝信號接收裝置后圖像傳感器的測量動態(tài)范圍擴展為nD。其中動態(tài)范圍定義是系統(tǒng)不產生虛假響應的時候所能正確檢測到的最大信號強度與系統(tǒng)可以對其進行正確檢測分析最小信號強度之比。實驗測量所需動態(tài)范圍的改變可通過調整分束單元3的分束比實現(xiàn)，分束單元分束比越大則系統(tǒng)測量動態(tài)范圍越大。
[0024]本發(fā)明的信號接收裝置可針對圖像傳感器成像測量及光譜分析測量兩種應用方式分別如附圖1、2所示。信號接收裝置包括分束單元3、傳輸單元11和由面陣探測器構成的圖像傳感器7 ;其中分束單元3將入射光信號分成主路和支路，所述主路的信號強度大于支路的信號；傳輸單元11將主路和支路的信號傳輸至圖像傳感器7的入口，并耦合至圖像傳感器面元的不同位置處，分別獲得主圖像和支圖像；為了保證入射到圖像傳感器的信號為相同時刻的信號，便于后續(xù)信號的處理，主路和支路在分束器至圖像傳感器之間的光程相等。其中分束單元3可采用分束鏡，其分束比根據(jù)需要而設定。
[0025]在圖1的成像測量應用中，傳輸單元包括主路反射鏡4、支路反射鏡5和直角反射鏡6，成像物體發(fā)出的光經過成像透鏡后入射至分束單元3，假設主光束由分單元3透射，其經過主光束反射鏡4后入射至直角反射鏡6的一個反射面；支光束由分束單元3反射，其經過支光束反射鏡5后入射至直角反射鏡6的另一個反射面，最后耦合進圖像傳感器7的面元不同位置處，獲得兩幅圖像。
[0026]在圖2的光譜分析測量應用中，圖像傳感器7為基于面陣傳感器的多通道光譜儀，其工作原理是光經過狹縫10后不同光譜成分信號成像在面元垂直于狹縫方向不同位置處，實現(xiàn)光譜的測量。傳輸單元包括耦合透鏡8和傳輸光纖9，主路光信號和支路光信號經過耦合透鏡8和傳輸光纖9后，分別入射至沿光譜儀狹縫方向的不同位置，并耦合至圖像傳感器面元沿狹縫方向的不同位置處，實現(xiàn)兩組光譜曲線的測量。
[0027]圖3給出了本發(fā)明的信號接收裝置在CARS (Coherent Ant1-stokes RamanScattering，相干反斯托克斯拉曼散射)溫度測量中的應用，其中CARS基于分子四波混頻過程獲取流場溫度，與圖2的光譜分析測量原理一致，通過獲取溫度場內測量點的光譜曲線，實現(xiàn)溫度的測量。為實現(xiàn)擴展光譜測量動態(tài)范圍的目的，接收裝置中包括大比例分束鏡3，反射鏡5，光纖耦合透鏡8，光纖9、光譜分析儀12。其中成像透鏡2將CARS信號變?yōu)槠叫泄?；分束鏡3對CARS信號進行分束；反射鏡5將支路信號調整進入透鏡8耦合入接收光纖9，最后進入光譜儀狹縫的不同位置，由光譜分析系統(tǒng)12進行光譜分析后，獲得雙路CARS信號。
[0028]由于CARS測量系統(tǒng)的信號強度受流場溫度變化影響較大，環(huán)境壓力相同條件下，溫度300K時的CARS信號強度較2000K時強約100倍。實驗室CARS系統(tǒng)配置的ICXD相機對信號強度響應范圍為0-4000，而實現(xiàn)有效溫度擬合的信號強度范圍為200-4000。按照動態(tài)范圍定義:系統(tǒng)不產生虛假響應的時候所能正確檢測到的最大信號強度與系統(tǒng)可以對其進行正確檢測分析最小信號強度之比，則實驗室CARS測量系統(tǒng)動態(tài)范圍為20。在測量環(huán)境溫度波動范圍較大時，CARS信號強度波動范圍超過系統(tǒng)相機動態(tài)范圍，在不改變系統(tǒng)設置條件下，所測量信號會出現(xiàn)信號過弱或者信號飽和現(xiàn)象。如按照有效獲取高溫信號進行增益設置(高溫信號強度大于200)，則低溫信號在相同設置下易于飽和(低溫信號強度約20000大于4000);如按照低溫信號進行增益設置(低溫信號強度小于3000)，則此設置下高溫信號強度低于50。此時信噪比過低，流場溫度擬合誤差較大。即按照系統(tǒng)原有參數(shù)，針對大溫度變化范圍流場進行測量時難以持續(xù)獲取高信噪比的有效CARS信號，單次實驗只能獲取高溫或者低溫數(shù)據(jù)。
[0029]采用所研制信號接收裝置，并在信號接收裝置后端由透鏡8將CARS信號分別耦合入光纖9，系統(tǒng)組成如附圖3所示。分束鏡3分束比例為1/9，則CARS系統(tǒng)測量動態(tài)范圍由20增加為180。在流場溫度較低時刻，CARS信號過強，典型測量結果如圖4所示。此時主路信號飽和，可以選取支路信號進行擬合溫度測量，避免信號飽和干擾。在流場溫度較高測量時刻，CARS信號較弱，典型測量結果如圖5所示，選擇主路信號，依然可以獲得有效測量數(shù)據(jù)。
[0030]圖4為流場溫度較低時測量得到的雙幅CARS信號，此時CARS信號強度較大，主路信號飽和，可以采用支路信號進行數(shù)據(jù)處理。
[0031]圖5為流場溫度較高時測量得到的雙幅CARS信號，此時CARS信號弱，由于分束鏡分束比較小，分出的支路信號占總CARS信號比例較低，利用主路信號依然可實現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)處理。
[0032]本測量系統(tǒng)已經在燃燒流場診斷中得到成功應用。
【權利要求】
1.一種增加圖像傳感器動態(tài)范圍的信號接收裝置，其特征在于:包括分束單元(3)、傳輸單元(11)和由面陣探測器構成的圖像傳感器(7)； 所述的分束單元(3)將入射光信號分成主路和支路，所述主路的信號強度大于支路的信號; 所述的傳輸單元(11)將主路和支路的信號傳輸至圖像傳感器(7)的入口，并耦合至圖像傳感器面元的不同位置處，分別獲得主圖像和支圖像； 所述主路和支路在分束器至圖像傳感器之間的光程相等。
2.根據(jù)權利要求1所述的增加圖像傳感器動態(tài)范圍的信號接收裝置，其特征在于:所述的傳輸單元(11)包括主路反射鏡(4)、支路反射鏡(5)和直角反射鏡(6)，所述的直角反射鏡出)的直角端正對圖像傳感器的入口，所述的主路光信號和支路光信號經過主路反射鏡(4)和支路反射鏡(5)反射后，分別入射至直角反射鏡(6)的兩個直角反射面，并耦合進圖像傳感器(7)面元的不同位置處。
3.根據(jù)權利要求1所述的增加圖像傳感器動態(tài)范圍的信號接收裝置，其特征在于:所述的圖像傳感器(7)為前端設置有狹縫(10)的多通道光譜分析儀，所述的傳輸單元包括耦合透鏡(8)和傳輸光纖(9),所述的主路光信號和支路光信號經過I禹合透鏡(8)和傳輸光纖(9)后，分別入射至光譜儀狹縫(10)的不同位置，并耦合進圖像傳感器面元的不同位置處。
4.根據(jù)權利要求1所述的增加圖像傳感器動態(tài)范圍的信號接收裝置，其特征在于:所述的分束單兀為分束鏡(3)。
5.根據(jù)權利要求1或4所述的增加圖像傳感器動態(tài)范圍的信號接收裝置，其特征在于:所述分束單元的分束比為1:5至1:20。
6.根據(jù)權利要求5所述的增加圖像傳感器動態(tài)范圍的信號接收裝置，其特征在于:所述分束單元的分束比為1:10。
7.根據(jù)權利要求1所述的增加圖像傳感器動態(tài)范圍的信號接收裝置，其特征在于:所述的圖像傳感器為CXD或ICXD。
【文檔編號】G01J5/00GK103945143SQ201410172370
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月25日 優(yōu)先權日:2014年4月25日
【發(fā)明者】李國華, 胡志云, 張振榮, 葉景峰, 張立榮 申請人:西北核技術研究所